水液压数字节流阀的研制与分析

　　0 引言

　　20 世纪 80 年代以来，随着计算机技术与微电子技术的发展，电液系统的数字化控制已成为今后发展的趋势。用数字信号直接控制液流的压力、流量的阀，称为电液数字控制阀简称数字阀。通常电液控制系统中的信号是连续变化的电压或电流，然而对计算机来说，最普遍的信号是“1”和“0”，即“开”和“关”，因此数字阀更易由计算机直接控制。电液数字阀按驱动原理分为二种：一是采用脉数控制(PNM)原理的增量式数字阀;二是采用脉宽调制(PWM)原理的高速开关数字阀。

　　与模拟式调节阀相比，数字阀还具有抗污染，开环控制精度高，无需 A/D 和 D/A 转换器就能直接与计算机接口等优点，在计算机实时控制的电液系统如机床控制、机器人控制、水电控制、火电控制、舰船控制、压铸机和塑料注射机的控制、冶金、化工和原子能等工业上均有广阔的应用前景。

　　1 问题描述

　　根据某系统的实际要求，本设计的纯水液压节流数字阀技术指标如下：

　　(1) 额定压力 p=14MPa;

　　(2) 额定流量 Q=40L/min;

　　(3) 关阀时最大泄漏量小于 0.3mL/min(14MPa);

　　(4) 流量控制精度3%~5%;

　　根据系统要求，为了获得较大流量，采用增量式数字阀;由于控制精度为 3%~5%，故步进电动机采用开环控制。

　　2 增量式数字阀性能指标设计原则

　　2.1电性能指标设计原则

　　增量式数字阀是以步进电动机作为 D/A 转换的数字阀，对增量式数字阀的控制从本质上说就是对步进电动机的控制。

　　2.1.1步进电动机的选型原则

　　步进电动机由步距角、静转矩二大要素组成。

　　(1) 步距角的选择原则

　　步进电动机的步距角表示控制器每发一个脉冲，电动机所转动的角度。选择步距角取决于数字阀控制精度的要求，将控制精度换算到电动机轴上，每个当量电动机应走多少角度。电动机的步距角应小于此角度。然而步距角过小会使系统调节时间过长，所以选择时要从系统的控制精度和频响两方面来考虑。

　　(2) 静力矩的选择原则

　　静力矩是指电动机在通电但没有转动时，定子锁定转子的力矩，因而也称保持扭矩。静力矩选择的依据是电动机工作的负载大小，一方面要避免电动机扭矩选得过小，造成不能驱动负载而失步;另一方面要避免扭矩选得过大，造成浪费。

　　2.2机械性能指标设计原则

　　2.2.1机械转换器设计原则

　　增量型数字式节流阀从控制方式来说是用步进电动机的电动控制代替手动控制，但由于步进电动机固定，控制时不能像手控可以横向位移(见图 1)，因此需要在电动机与阀芯间增加机械转换器。